Nagysebességű pozíciómérés
Holger Spies – projektmenedzser – Turck
Az Arburg a fröccsöntőgépipar specialistájaként keresi azokat az optimalizálási lehetőségeket, amelyek révén a fröccsöntés technológiája mind jobban megfelel a gyakorlat követelményeinek. Az ehhez szükséges nagy úthosszú és gyors pozícióméréshez nem találtak piacon elérhető megoldást. A Turck LI induktív pozíciószenzor-családját a két cég együttműködésével sikerült oly módon továbbfejleszteni, hogy az ma már a zárt hurkú, valósidejű mozgásvezérlési feladatok széles körében alkalmazható.
Arburg ‑ Turck együttműködés lineáris elmozdulásmérő közös fejlesztésére
Amikor Karl és Eugen Hehl 1954-ben saját céljukra kifejlesztették az első fröccsöntőgépüket, nem gondoltak arra, hogy azt az Arburg céget indítják útjára, amely a következő hat évtizedben a fröccsöntőgép-gyártás világpiacának vezetőjévé vélik. Mára a svábföldi Lossburgban 1800 munkatárssal működő családi vállalkozás a világ elismerten legsokoldalúbb megoldásszállítójává nőtte ki magát, gépeit a felhasználó alkalmazástechnikai igényeihez legjobban illeszkedő, „testreszabott” meghajtórendszerrel építi. A hidraulikus meghajtású gépeken kívül a cég elektromos, valamint az elektromos és hidraulikus technológiát kombináló hibridhajtású gépeket is előállít. Az Arburg mindig képes új elgondolásokkal élénkíteni a fröccsöntés-technológia fejlődését. Ennek egyik példája az Allrounder Edrive gépcsalád (1. ábra), amelyet az Arburg „belépőszintű” elektromos meghajtású megoldásként ajánl. A befecskendezés és mérés fő tengelyei – a fröccsszerszám nyitásához hasonlóan – a hidraulikus technológia helyett villamos szervohajtással vannak megoldva. Ezáltal egyrészt minden mozgási tengely önállóan kezelhetővé válik, másrészt a mozgások a hidraulikus rendszerekénél sokkal pontosabban vezérelhetők.
Az Arburg az Edrive-berendezés belső kommunikációjához a valósidejű Ethernet Varan buszrendszert használja. Werner Faulhaber, az Arburg villamostervező-részlegének vezetője ezt azzal indokolja, hogy „felhasználóink robuszus és megbízható gépeket várnak tőlünk. A vezérlés valósidejű Ethernet-rendszerre való átültetésével tovább javíthatjuk gépeink karbantarthatóságát”.
A hagyományos megoldások ma már nem felelnek meg
A Faulhaber által említett másik fontos szempont a szenzorok alkalmazásának fejlődése a gépekben. Bár az elektromos meghajtású tengelyeken elsődlegesen használatos magnetostrikciós lineáris pozícióérzékelők érintésmentesen és kopási igénybevétel nélküli mérést tesznek lehetővé, Faulhaber szerint „a magnetostrikciós szenzorok nem elég gyorsak az Arburg-gépek dinamikus tengelyeinek helyzetérzékeléséhez” (2. ábra). Mivel a magnetostrikciós pozíciómérés alapja a szerkezetben terjedő hanghullámok futási idejének mérése, a szenzorok átfutási ideje meglehetősen hosszú. Bár a mai, optimalizált átfutásidejű magnetostrikciós szenzorok rövid mérési távolságokon akár 4 kHz-es kimenőadat-gyakoriságot is elérhetnek, ez átlagban inkább az 1 kHz-hez áll közelebb. Az akusztikus hullámvezetőben a torziós hullámok terjedési sebessége kb. 3000 m/s, amely azt jelenti, hogy az 1000 mm-es mérési hossz befutásához a hullámnak több mint 300 μs-ra van szüksége. Ehhez adódik még a feldolgozó elektronikus rendszer latenciaideje. A futási idő és a kimeneti adatgyakoriság tehát a mérési távolságtól és az alkalmazott elektronikától függ; minél nagyobb a távolság, annál hosszabb a magnetostrikciós szenzor mérési ideje.
2. ábra Egy fröccsöntőgép befecskendező dugattyújának tengelye. Ennek pontos időzítéséhez a magnetostrikciós átalakítók sebessége nem elegendő
Néhány magnetostrikciós átalakítóban a hosszú futási idő problémáját egy bizonyos előrejelzési, predikciós technikával próbálják megoldani. Ezek két valódi mérés között megkísérlik „megjósolni” a következő rövid intervallumban várható mérési eredményeket, és ezzel nagyjából 10 kHz-es kimenőadat-frekvenciát érhetnek el az interfészen. Az ilyen mérési elvnek azonban csak a nagyjából állandó mozgási sebességű tengelyeken van értelme. A fröccsöntőgép befecskendező dugattyúját mozgató tengelyen azonban különösen dinamikus, időben változó sebességű mozgás során kell a pozíciót szabályozni. Ennek a tengelynek a legigényesebb a mozgásszabályozása, mert alapvetően ez határozza meg a fröccsszerszám egyenletes kitöltését, következésképpen a végtermék, a fröccsöntött munkadarab minőségét. Emiatt az Arburgnál szóba sem jöhet a magnetostrikciós szenzorok használata, még a mérési eredményeket predikciós módszerrel „sűrítő” változatoké sem.
Ma az Arburg hidraulikus mozgatású fröccsgépeiben potenciometrikus lineáris pozíciószenzorokat is használnak. A mérési elv gyors mérést tesz lehetővé, felbontása pedig a nagyon gyors tengelymozgás valósidejű mérésénél is elegendően nagy.
A potenciometrikus lineáris pozícióérzékelés sebességét csak a mechanikai konstrukció és a jelfeldolgozás időigénye korlátozza. Azonban, mint minden más analóg rendszernél is, a felbontás függ a mérési hossztól. Ráadásul a potenciométerek kopásnak kitett alkatrészek. Faulhaber ezt így értékeli: „Több millió működési ciklus után a potenciométerek eredetileg garantált IP54-es védettségi fokozatát nem lehet már fenntartani. Ez például azt jelenti, hogy a potenciométeres átalakító házába valószínűleg behatol a víz, ha egy nyomás alatt álló hűtőcsövet – például szerszámcsere közben ‑ lecsatlakoztatnak.”
„Hosszú időn át kerestem már egy kontaktus nélküli és kopásmentes rendszert, amellyel ugyanazt a teljesítményt tudnánk megismételni, amit egy mai potenciometrikus érzékelőtől elvárhatunk. Az egyetlen, amely megfelelt minden követelménynek, a Turck LI induktív átalakítója volt, amelynek pontossága és felbontása teljesen független a mérési hossztól. Bár vannak a piacon más induktív pozíciómérők is, a felbontásuk függ a hosszúságuktól. Ráadásul, mivel ezek teljesen analóg rendszerek, nehezen lehet őket digitális interfésszel ellátni”
Az induktív mérés a megoldás
A keresés során Faulhaber felvázolta azokat a követelményeket, amelyeknek egy lineáris pozíciószenzornak a gépek nagy sebességgel mozgó tengelyein meg kell felelniük. Ezek közül öt specifikációs pont mindenképpen a legmagasabb prioritással szerepel. Eszerint a szenzornak
-
legalább 5 kHz gyakorisággal, való időben kell kimenőadatokat szolgáltatnia,
-
érintésmentes működési elvet kell megvalósítania,
-
robusztus kivitelűnek és
-
kopásállónak kell lennie, és végül
-
kommunikációképesnek kell lennie a Varan valósidejű buszrendszeren.
A megoldás keresése közben a Turck LI lineáris útszenzora keltette fel az Arburg szakértőinek figyelmét. Az érintés nélkül működő, mágnest nem tartalmazó konstrukció egyszerre teljesíti az IP67-es védettséget a potenciometrikus szenzorokra jellemző méréstechnikai teljesítőképességgel és a mágneses terekre való érzéketlenséggel, ugyanakkor kellőképpen robusztus és kopásmentesen működik. Működési elvéből következően az LI immunis a külső mágneses terekre.
Ezzel szemben az LI-családra akkor még jellemző 1 kHz-es kimeneti adatgyakoriság nem volt elég az Arburg nagy sebességű fröccsöntőgépeiben szükséges mozgásvezérléshez. „Ezt azonban a fizikai mérési elv nem zárta ki” – jegyezte meg Faulhaber – „A Turck-szenzorban megvolt a lehetőség, hogy nagyobb gyakorisággal állítson elő mérési eredményeket. A magnetostrikciós szenzorral ellentétben ezt nem a mérési elv, hanem egyedül
a feldolgozóelektronika korlátozta.” A pontos és nagy felbontású mért értékeken kívül a a mérési eredmények rendkívül gyors kiszámítását is megkívánja a kimeneti adatok kellőképpen nagy sűrűsége érdekében. Egyszóval: a legpontosabb méréseknek is csak akkor van értelme, ha elég gyorsan rendelkezésre állnak
a szenzor kimenetén. Az LI-szenzorokat eredetileg nem zárt hurkú vezérlési feladatokban való felhasználásra tervezték. Viszont az Arburgtól beérkezett igény hatására a Turck úgy döntött, hogy teljesen kihasználja a mérési elvben rejlő lehetőségeket, amellyel az LI-család alkalmassá válik nagysebességű pozicionálási feladatokra is. Az új, nagysebességű lineáris pozíciószenzort, amely már megfelelt a sebességre vonatkozó felhasználói igénynek is, egy 16 hónapos prototípusfejlesztési folyamat során állították elő, a Turck és az Arburg szakembereinek szoros együttműködésével.
A Turck induktív, lineáris helyzetérzékelőjének jelterjedési ideje 130 μs, amely lényegesen gyorsabb az Arburg által megkívánt 200 μs-nál. A kihívást az jelentette, hogy a jelprocesszort is alkalmassá kellett tenni a legalább 5 kHz-es kimeneti adatfrekvencia elérésére. Ennek érdekében a Turck egy új generációs, nagy teljesítményű jelfeldolgozót vett használatba. A Turck-szenzort viszonylag hamar illesztették az Arburg által használt Varan-interfészhez, amely már tartalmazta a teljes rendszer legfontosabb elemeit. A jel linearizálását és szinkronizálását, valamint a készülékprofil és az interfész definícióját egy FPGA-eszközzel megvalósított, programozható logikával valósították meg. „A folyamat során kiváló volt az együttműködés, teljesen más volt, mint amit hasonló esetekben megszoktunk” – hangsúlyozta Faulhaber.
Miután az LI-szenzor készen állt a mozgásvezérlési feladatok ellátására, az Arburg elektromos meghajtású fröccsgépeinek nagy sebességű tengelyein vette használatba. Ugyanakkor felmerült
a hidraulikus tengelyek elmozdulásérézékelésében való alkalmazás ötlete is. A tervezőmérnökök ezt különösen a mágneses terekre való érzéketlensége miatt vették fontolóra. A hidraulikus tengelyeken gyakran alkalmazott magnetostrikciós mérőátalakítókat ugyanis alumíniumelemekkel is meg kell erősíteni, továbbá meg kellett védeni a mérési eredményt megzavaró közeli mágneses terek hatásától. „A Turck induktív mérési elvű, lineáris elmozdulásmérői még erős mágneses terek hatása alatt, például elektromágneses működtetésű szelepek és mágneskapcsolók közvetlen közelében is minden további probléma nélkül felszerelhetők” – mondta erről Faulhaber, aki különösen előnyösnek nevezte az LI-szenzorok kompakt kivitelét is. – „A lapos tokozás és az aktív hosszon rendkívül kis mértékben túlnyúló tokozat nagyon kényelmes tervezőmérnökeinknek”.
SSi-interfészű alapváltozat
Nem csak technikai kérdéseken múlt a jó együttműködés a két cég között. Faulhaber így beszél erről: „A siker kulcsfontosságú tényezője volt
a Turck értékesítési specialistáinak a projekt melletti aktív elkötelezettsége is. Ők cégükön belül komoly belső reklámtevékenységet fejtettek ki az ügy érdekében.” A Turck korán felismerte, hogy nincs a piacon a mozgásvezérlési feladatok megoldására alkalmas megoldás, ezért erőteljesen támogatta a projektet. Ennek következtében nemcsak az Arburg „testére szabott” megoldás készült el, hanem
a fejlesztés közös elemeit felhasználva egy SSi-interfészű alapváltozatot (3. ábra) is kidolgoztak sorozatgyártási szándékkal. A Turck LI lineáris pozíciószenzora ennek következtében a mozgásvezérlési feladatok széles körében jelent vonzó megoldást.
3. ábra Az LI pozíciószenzor-család
|
A kontúrhiba csökkentése |
|
A nagyebességű mozgásvezérlési alkalmazásokban a lassú szenzorok okozta késleltetést „kontúrhiba” néven ismerik. Ha a mozgatott tárgy elér egy meghatározott pontot, a szenzor detektálja a jelenlétét, és kiad egy megfelelő jelet. A tárgy azonban folytatja mozgását a detektálástól a jel kiadásáig eltelő idő alatt is, és a kontúrhiba ennek a következménye. Ez azt is jelenti, hogy minél gyorsabban állítja elő a szenzor a kimeneti jelet, annál kisebb kontúrhiba keletkezik. A kontúrhiba csökkentését tehát két paraméterrel érhetjük el: növelhetjük a szenzor kimeneti adatfrekvenciáját, és/vagy csökkenthetjük·a mérés átfutási idejét. A kimeneti adatfrekvencia a szenzor időegység alatt kibocsátott mérési eredményeinek a száma, az átfutási idő pedig az az időtartam, amely ahhoz szükséges, hogy a szenzor előállítson egy új mérési eredményt. A két mennyiség összefügg: nincs értelme a kimenetre helyezni egy újabb mérési eredményt, mielőtt a szenzor az új eredményt kiszámította volna – következésképpen a mérés átfutási idejének kisebbnek kell lenni az adatfrekvencia reciprok értékeként számítható adatfrissítési időnél. |
Turck Hungary Kft.
1117 Budapest, Infopark, Neumann János u. 1/E
Tel.: +36 1 477 0740, fax: +36 1 477 0741
E-mail:
